風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)原因分析

劉輝

（中核檢修有限公司海鹽分公司，浙江 嘉興 314300）

購(gòu)買離心風(fēng)機(jī)的用戶和制造離心風(fēng)機(jī)的廠家關(guān)注的首要問題就是離心風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問題。離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)過大或過小都會(huì)對(duì)離心風(fēng)機(jī)的零部件造成損傷。當(dāng)離心風(fēng)機(jī)的振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，振動(dòng)速度過大會(huì)使離心風(fēng)機(jī)的軸承溫度急劇上升，并且還會(huì)加快零部件的磨損程度，當(dāng)離心風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，會(huì)使某些重要零部件遭到不可挽回的損傷，軸承箱體可能開裂，甚至還會(huì)導(dǎo)致葉輪開裂和解體。為了應(yīng)對(duì)離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)情況，減少離心風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，從而達(dá)到平衡，首先就要進(jìn)行整機(jī)動(dòng)平衡，這主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)振動(dòng)周期性干擾力會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)的產(chǎn)生。

1 風(fēng)機(jī)所受的主要干擾力

1.1 偏心干擾力

偏心干擾力的產(chǎn)生主要是由于工作人員在制作離心風(fēng)機(jī)過程中，由于材料選取錯(cuò)誤或者由于制造人員的操作失誤等原因，導(dǎo)致葉輪的質(zhì)心不在葉輪的圓心上，從而產(chǎn)生了一個(gè)偏移量，而葉輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，也就產(chǎn)生了一個(gè)離心力，稱為偏心干擾力。在此，可以假設(shè)葉輪轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m，角速度為ω，則偏心干擾力為F=meω。而ω=nπ/30。

例如，m=5000kg；

e=0.02mm=0.02×10-3m；

n=980r/min；

則 F=5 0 0 0×0.0 2×1 0-3×（[9 8 0×π）/30]2≈ 1053.2N。

從這個(gè)公式得出，離心干擾力F為1053.2N，可以說離心干擾力還是較大的。

葉輪在平衡床上起到配重作用時(shí)，主要功能是將葉輪的重心做一個(gè)有效的調(diào)整，這樣就能使整體的重心大部分保證在軸上。但是這種情況有以下三個(gè)缺點(diǎn)：第一，平衡床的轉(zhuǎn)速非常小，僅僅只有幾百轉(zhuǎn)，和實(shí)際情況非常不符。第二，葉輪在平衡床中產(chǎn)生的平衡重量很容易受到空氣阻力的影響，如果這個(gè)配重是在真空的條件下制造的，葉輪的偏移重心能做到更小。第三，不同的動(dòng)態(tài)平衡的方法能使得動(dòng)態(tài)平衡有所不同。比如說，由f型變速器制造而成的平衡床，其風(fēng)扇可以用d型變速器。所以說，葉輪的重心不能剛好是葉輪的幾何中心。

1.2 空氣動(dòng)力干擾力

人工操作不合理也會(huì)造成誤差，所使用的制作材料如果質(zhì)量不好也會(huì)造成一定的干擾，離心風(fēng)扇在進(jìn)行工作的時(shí)候，空氣流對(duì)每個(gè)葉片的不同部分的作用力不相同，所以，總的合力不能是零。這樣就產(chǎn)生了非常大的干擾力，主要會(huì)引起以下幾種干擾力。

（1）葉片差異引起的干擾力。葉輪在實(shí)際制造的過程中會(huì)有一定的誤差出現(xiàn)，比如說，每個(gè)葉片的角度和方向以及各個(gè)零件之間的空隙都會(huì)造成一定的誤差，這些誤差的存在導(dǎo)致每個(gè)葉片上的反作用力的和不為零，從而加大空氣動(dòng)力對(duì)機(jī)器的干擾力。（2）輪盤和輪蓋的晃動(dòng)干擾。機(jī)器輪盤和輪蓋在實(shí)際工作的時(shí)候產(chǎn)生的跳動(dòng)力應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，這樣就能大大減少機(jī)器在使用過程中的晃動(dòng)。輪盤和輪蓋在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)力，并且這個(gè)振動(dòng)力是有一定周期性的，空氣的傳播對(duì)其也有一定的影響。（3）反饋氣流的擾動(dòng)力。機(jī)器上的風(fēng)扇葉輪和進(jìn)氣口之間存在一些空隙，一些氣流通過這些空隙能返回到機(jī)器中，這就是平時(shí)我們常說的反饋氣流。反饋氣流的穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)扇的振動(dòng)有很大的影響，所以，在進(jìn)行安裝的時(shí)候應(yīng)該保證葉輪和進(jìn)氣口之間的間隙是均勻的，且有一定的重疊性，以便最小化和穩(wěn)定反饋氣流，并減少風(fēng)扇的振動(dòng)。一般來(lái)說，反饋氣流越小，風(fēng)扇效率越高，而風(fēng)扇效率則越低。（4）機(jī)殼內(nèi)壓力分布差異。在葉輪進(jìn)行工作的時(shí)候，輸送到各個(gè)地方的空氣的總量是完全一樣的，但是外部的殼狀物體對(duì)其有一定的限制，空氣只能在一個(gè)方向上移動(dòng)。機(jī)器的各個(gè)部分的氣壓不相同，所以，風(fēng)扇在穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，風(fēng)扇內(nèi)部的氣壓分布也是非常穩(wěn)定的，此時(shí)對(duì)風(fēng)扇的干擾性很小。但是，隨著操作方式的不斷改變，如風(fēng)門的速度不斷變化，風(fēng)扇中的壓力分布情況也會(huì)因此而改變，振動(dòng)也就隨之發(fā)生變化。這是改變機(jī)器振動(dòng)情況的主要原因之一，這種干擾情況主要是在實(shí)際操作中產(chǎn)生的。

1.3 偏心干擾力和氣動(dòng)干擾力的影響

葉輪在平衡床上轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候是有一定的轉(zhuǎn)速的，每個(gè)葉輪都必須符合標(biāo)準(zhǔn)，所以，要保證空氣的偏心干擾和氣動(dòng)干擾都符合相關(guān)要求。但是，在實(shí)際工作的時(shí)候，這兩種干擾力并不能很好地被把控，相關(guān)工作人員也不能很好地掌握這兩種干擾力的大小和方向。當(dāng)風(fēng)扇以一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作的時(shí)候，這兩種干擾力也會(huì)大大增加。如果兩個(gè)力之間的夾角不大于120°或小于240°，則合力大于兩個(gè)分量，因此安裝葉輪時(shí)振動(dòng)非常大。如果兩個(gè)力之間的夾角大于120度且小于240度，則合力小于兩個(gè)分力，因此葉輪安裝機(jī)的振動(dòng)會(huì)更小。因此，如果振動(dòng)很大，整個(gè)機(jī)器必須平衡。通過這種方式，我們可以知道葉輪已經(jīng)在平衡床上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)平衡，并且每個(gè)葉輪都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)。要平衡整個(gè)機(jī)器，我們可以分析，是因?yàn)槿~輪安裝后，有些振動(dòng)很大，要平衡重量；一些葉輪和外殼移動(dòng)到一定程度，振動(dòng)會(huì)更好。對(duì)于大型風(fēng)扇來(lái)說，最好的方法是實(shí)現(xiàn)葉輪超速動(dòng)平衡。

2 材料剛性對(duì)振動(dòng)的影響

風(fēng)機(jī)如果長(zhǎng)時(shí)間在高強(qiáng)度的振動(dòng)條件下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致材料的剛度大大降低，從而導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)故障。如果風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度太大，再加上機(jī)器的底座性能不好，就會(huì)使得軸承容易裂開。在風(fēng)機(jī)實(shí)際工作的時(shí)候，可能會(huì)遇到以下情況：風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速慢慢增大，在合適的轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)并沒有很大的影響。但是如果轉(zhuǎn)速超過一定范圍的時(shí)候，振動(dòng)會(huì)突然變大，造成這種現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)扇材料突然變形。隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的不斷增加，其離心力也不斷增加。當(dāng)離心機(jī)增加到一定限度的時(shí)候，會(huì)使得葉片和主軸發(fā)生明顯的變化，從而使得偏心度和干擾力不斷增加。葉片和主軸發(fā)生明顯變形之后，作用在葉片和氣流上的作用力也會(huì)發(fā)生明顯的變化，此時(shí)，空氣動(dòng)力的干擾力也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定的時(shí)候，干擾力也非常穩(wěn)定，進(jìn)而可以進(jìn)行動(dòng)平衡工作，在這種情況下，平衡是由彈性變形引起的。經(jīng)過分析可以得出，材料的剛性對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)也是有一定影響的，但是這種平衡風(fēng)扇的產(chǎn)生是有一定條件的：剛開始啟動(dòng)的時(shí)候一定要保證合適的振動(dòng)，慢慢加大振動(dòng)的幅度，風(fēng)扇正常工作之后，振動(dòng)將保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 風(fēng)機(jī)的對(duì)中對(duì)振動(dòng)的影響

風(fēng)扇的對(duì)中通常被認(rèn)為是滿足安裝要求的對(duì)中。然而，我們可以進(jìn)一步擴(kuò)展：風(fēng)扇的振動(dòng)是空間力系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，這種振動(dòng)引起的變形可以稱為彈性變形范圍內(nèi)的定心，反之亦然。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡很難做到。主要是關(guān)于如何判斷風(fēng)扇是否在彈性變形范圍內(nèi)運(yùn)行。了解風(fēng)機(jī)葉輪的受力情況，同時(shí)可以判斷風(fēng)機(jī)振動(dòng)的變形是否在彈性變形范圍內(nèi)，使得現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡相對(duì)簡(jiǎn)單。

4 風(fēng)機(jī)葉片振動(dòng)超標(biāo)缺陷分析方法

當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪振動(dòng)超標(biāo)時(shí)，應(yīng)該從多個(gè)方面找出原因。通過對(duì)振動(dòng)原因的分析，可以消除設(shè)備的潛在故障，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。一般來(lái)講風(fēng)扇振動(dòng)的來(lái)源包括軸承座的振動(dòng)、轉(zhuǎn)子和臨界速度引起的振動(dòng)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速。

在實(shí)際工作的過程中，風(fēng)機(jī)軸承的不斷振動(dòng)中，轉(zhuǎn)子質(zhì)量的振動(dòng)大部分是不平衡振動(dòng)。引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的主要原因有：葉輪使用過程中磨損均勻，葉片表面有灰塵堆積或者有些部位生銹，葉輪的葉片或者是其它部分有一些其它雜質(zhì)，主軸的局部地方出現(xiàn)彎曲，后葉輪出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象等。葉輪強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致葉輪開裂或局部變形。葉輪上的松動(dòng)零件或松動(dòng)連接等。均會(huì)引起軸承振動(dòng)。

滾動(dòng)軸承異常引起的振動(dòng)：（1）軸承裝配不良引起的振動(dòng)。（2）滾動(dòng)軸承表面損壞引起的振動(dòng)。（3）由于軸承座剛度不足而引起的振動(dòng)：基礎(chǔ)灌漿不良、地腳螺栓松動(dòng)、墊圈松動(dòng)以及底座連接薄弱都會(huì)引起強(qiáng)烈的強(qiáng)迫共振。這種振動(dòng)的主要特征是有缺陷的地腳螺栓處的軸承座和大的徑向部件的大振動(dòng)。（4）異常耦合引起的振動(dòng)：不正確的耦合安裝、風(fēng)扇和電機(jī)軸之間的錯(cuò)位、風(fēng)扇和電機(jī)軸之間的正時(shí)，以及在運(yùn)行過程中沒有考慮軸向位移的補(bǔ)償量，都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇和電機(jī)的振動(dòng)。振動(dòng)特性如下：①振動(dòng)不確定，隨負(fù)載變化劇烈，空載時(shí)輕，滿載時(shí)大，振動(dòng)穩(wěn)定性好；②軸線偏差越大，振動(dòng)越大。③電機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)消失；④徑向振動(dòng)大時(shí)，兩條軸線平行；軸向振動(dòng)大時(shí)，兩條軸線相交。

轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動(dòng)特性：①水平方向振動(dòng)值大，軸向振動(dòng)值小，軸承座軸承處的振動(dòng)大于推力軸承處的振動(dòng)。②振幅隨轉(zhuǎn)數(shù)的增加而增加。③振動(dòng)穩(wěn)定性好，對(duì)載荷變化不敏感。

通過風(fēng)機(jī)每個(gè)點(diǎn)的振幅進(jìn)行分析和比較，以找出故障的原因。此外，還必須了解離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行條件、工作環(huán)境和故障歷史，并在此基礎(chǔ)上對(duì)離心式風(fēng)扇故障進(jìn)行全面分析，逐一進(jìn)行分析和排除，找出振動(dòng)超標(biāo)的真正原因，從而有針對(duì)性的解決故障。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)扇動(dòng)平衡的第一個(gè)條件是風(fēng)扇應(yīng)該在彈性變形范圍內(nèi)運(yùn)行，第二個(gè)條件是振動(dòng)干擾力應(yīng)該處于穩(wěn)定狀態(tài)。在這種情況下，初始振動(dòng)數(shù)據(jù)和測(cè)試重量振動(dòng)數(shù)據(jù)是可靠和可用的，根據(jù)x = -f / k的要求，風(fēng)扇的動(dòng)平衡變得簡(jiǎn)單易行。